大豆異黃酮-玉米淀粉復(fù)合物制備及其性能研究

王思琪,吳天昊,李 妍,趙城彬,吳玉柱,許秀穎,劉景圣

(吉林農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科學(xué)與工程學(xué)院,小麥和玉米深加工國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室 吉林長(zhǎng)春 130118)

黃酮類化合物是天然的抗氧化劑和自由基清除劑,具有明顯的抗氧化、抗菌功能,是一類極具開發(fā)前景的天然產(chǎn)物,在食品、醫(yī)藥等領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用[1]。大豆異黃酮是生物黃酮中的一種,是大豆生長(zhǎng)中形成的一類次級(jí)代謝產(chǎn)物,廣泛存在于大豆及大豆制品加工副產(chǎn)物中。大豆是人類獲得異黃酮的唯一有效來源,其結(jié)構(gòu)與雌激素相似,也稱“植物雌激素”[2],可發(fā)揮類雌激素或抗雌激素雙向調(diào)節(jié)功能。大豆異黃酮結(jié)構(gòu)中含有酚羥基易被氧化是良好的抗氧化劑,能夠影響腸道中微生物酶活性,改善腸道菌群代謝能力[3-4]。

玉米淀粉生產(chǎn)成本低、質(zhì)量?jī)?yōu),常作為上漿劑、粘接劑和食品增稠劑被應(yīng)用于食品工業(yè)中,但相對(duì)其它淀粉,玉米淀粉糊粘度低、凝膠硬度高,限制了玉米淀粉在食品加工中的應(yīng)用前景。因此,改善玉米淀粉的加工性質(zhì)是有必要的。目前,多酚和淀粉復(fù)合物的制備方法有熱溶法、酸堿中和法、酶促聚合法等,其中熱溶法操作簡(jiǎn)單,是較為常用的多酚和淀粉復(fù)合的方法[5]。研究表明,多酚與淀粉可通過氫鍵、疏水相互作用、靜電相互作用、離子相互作用及范德華力等作用力[6-8],以吸附、聚合、包埋等多種方式形成復(fù)合物[9-12]。相關(guān)研究主要集中于多酚與淀粉的相互作用方面[13-16],并且對(duì)多酚與淀粉體系的糊化特性、流變特性等進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)多酚可不同程度的影響淀粉的理化特性[17-20]。但關(guān)于大豆異黃酮與淀粉復(fù)合的研究鮮見報(bào)道。

本研究采用熱溶法制備大豆異黃酮-玉米淀粉復(fù)合物,在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,采用響應(yīng)面法優(yōu)化制備工藝,并對(duì)其糊化特性、流變特性和凝膠質(zhì)構(gòu)特性進(jìn)行研究,為玉米淀粉在食品加工中的應(yīng)用提供理論參考。

1 材料與方法

1.1 材料與儀器

玉米淀粉(corn starch,CS)總淀粉83.42%、直鏈淀粉28.30%、脂肪0.54%、蛋白質(zhì)0.36%、水分11.35% 上海金穗生物科技有限公司;大豆異黃酮(soy isoflavone,SI)≥90% 西安天豐生物科技股份有限公司;其他試劑 均為分析純。

ALPHA1-4LD plus型冷凍干燥機(jī) 德國(guó)Christ公司;RVA-Tec MasterTM型快速黏度分析儀 澳大利亞Perten公司;MCR302型流變儀 奧地利安東帕(中國(guó))有限公司;TA.XT.Plus型食品物性測(cè)試儀 英國(guó)Stable Micro System 公司;AllegraX-30高速離心機(jī) 美國(guó)BECKMA公司;Lambda365型紫外分光光度計(jì) 美國(guó)PerkinElmer公司。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 復(fù)合物的制備 參考Li等[21]的方法,并做適當(dāng)改動(dòng)。稱取5 g玉米淀粉,將玉米淀粉與蒸餾水配制成10%的乳液,放入水浴鍋中70 ℃恒溫?cái)嚢杓訜?0 min。將不同添加量的大豆異黃酮(SI/CS,w/w)溶解在乙醇中,在持續(xù)攪拌下,30 min內(nèi)緩慢滴入淀粉分散體中。經(jīng)一定溫度水浴攪拌一定時(shí)間后,將混合物緩慢冷卻至室溫,將所得懸浮液以3000 r/min離心5 min,使用乙醇溶液(50%,V/V)洗滌三次并離心,以除去未與玉米淀粉復(fù)合的大豆異黃酮,冷凍干燥樣品。不加入大豆異黃酮,在相同條件下處理淀粉得到的樣品即為對(duì)照的玉米淀粉。

1.2.2 SI含量的測(cè)定 參考文獻(xiàn)[22-23]的方法并做適當(dāng)改動(dòng)。稱量樣品(20 mg,干基),溶于3 mL二甲基亞砜中。將得到的混合物在4000 r/min離心10 min,并收集上清液。取出2 mL溶液于10 mL容量瓶中,加入200 μL 95%乙醇后用蒸餾水定容。通過測(cè)定260 nm處的吸光度確定SI含量。染料木黃酮用于制備標(biāo)準(zhǔn)曲線,繪制標(biāo)準(zhǔn)曲線為:Y=0.1259X-0.0016,相關(guān)系數(shù)r=0.9995,線性范圍在0～8 μg/mL。

1.2.3 單因素實(shí)驗(yàn) 通過改變SI添加量、加熱溫度和加熱時(shí)間來探究其對(duì)復(fù)合物中SI含量的影響。按照1.2.1方法,控制其他條件不變,進(jìn)行單因素實(shí)驗(yàn)。分別設(shè)置大豆異黃酮和玉米淀粉復(fù)合物的復(fù)合條件為:SI添加量(1%、2%、3%、4%、5%)、加熱溫度(60、65、70、75、80 ℃)和加熱時(shí)間(0.5、1.0、1.5、2.0、2.5 h)每組試驗(yàn)重復(fù)3次。單因素實(shí)驗(yàn)中固定的因素水平設(shè)定為SI添加量2%,加熱溫度70 ℃,加熱時(shí)間1.0 h。

1.2.4 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì) 在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,以SI添加量、加熱溫度、加熱時(shí)間為因素進(jìn)行三因素三水平的Box-Behnken試驗(yàn),以復(fù)合物中SI含量為響應(yīng)值。因素與水平設(shè)計(jì)見表1。

表1 響應(yīng)面試驗(yàn)因素與水平Table 1 Factor and level by Box-Behnken

1.2.5 糊化特性測(cè)定 參考美國(guó)谷物化學(xué)師協(xié)會(huì)操作規(guī)程中的標(biāo)準(zhǔn)程序,采用升溫-降溫循環(huán)式[24]在快速黏度分析儀(rapid visco analyser,RVA)中進(jìn)行測(cè)定。準(zhǔn)確稱取3 g樣品于RVA鋁盒中加入25 mL去離子水均勻混合,測(cè)定條件:50 ℃保溫1 min,以6 ℃/min的速率升溫至95 ℃,保溫5 min,再以6 ℃/min的速率降溫至50 ℃,保溫2 min。前10 s內(nèi)攪拌速率為960 r/min,而后以160 r/min攪拌速率進(jìn)行測(cè)定。制備大豆異黃酮與玉米淀粉的物理復(fù)合物,方法為:相同比例的大豆異黃酮與對(duì)照玉米淀粉在研缽中研磨15 min使其混合均勻,備用,下同,以作為熱溶法制備復(fù)合物加工特性研究的參照。

1.2.6 動(dòng)態(tài)流變特性測(cè)定 參考Luo等[25]的方法并加以改動(dòng)，取1.2.5制得的樣品,采用平板測(cè)量系統(tǒng)(型號(hào)PP25,直徑25 mm,設(shè)置間隙1 mm)。每次測(cè)試均需更換樣品。測(cè)定條件:在溫度為25 ℃、應(yīng)變力為1%的條件下測(cè)定角頻率在0.1～100 rad/s 內(nèi)儲(chǔ)能模量(G′)、損耗模量(G″)、損耗角正切值tanδ隨角頻率變化情況,測(cè)定樣品黏彈性。樣品用硅油覆蓋以防止水分蒸發(fā)。

1.2.7 質(zhì)構(gòu)特性測(cè)定 參考任順成等[26]的方法并加以改動(dòng),將1.2.5制得的樣品于RVA鋁盒中在室溫條件下冷卻,密封,4 ℃條件下冷藏24 h,用于質(zhì)構(gòu)測(cè)定。測(cè)試條件:P 0.5探頭,測(cè)試前速率1.0 mm/s,測(cè)試速率5.0 mm/s,測(cè)試后速率5.0 mm/s;壓縮程度50%;觸發(fā)力5 g。

1.3 數(shù)據(jù)處理

所有數(shù)據(jù)為3次平行測(cè)量的平均值,結(jié)果以X±S表示,使用Origin 2018軟件進(jìn)行相關(guān)圖表繪制,采用Design Expert 8.0.6軟件進(jìn)行響應(yīng)面分析,采用SPSS 21軟件通過ANOVA統(tǒng)計(jì)學(xué)分析在顯著性水平0.05進(jìn)行檢驗(yàn)。

2 結(jié)果與分析

2.1 單因素實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1.1 SI添加量對(duì)復(fù)合物中SI含量的影響 由圖1可知,隨著SI添加量的增加,復(fù)合物中SI含量也隨之增加。SI添加量從1%變化至2%時(shí),復(fù)合物中SI含量從1.74 mg/g增加到5.01 mg/g。當(dāng)SI添加量進(jìn)一步增加時(shí),復(fù)合物中SI含量增加緩慢,曲線趨于平緩,推測(cè)是由于復(fù)合量逐漸達(dá)到飽和。因此,SI添加量為2%時(shí)復(fù)合效果相對(duì)較好。

圖1 SI添加量對(duì)復(fù)合物中SI含量的影響Fig.1 Effect of added amount of soy isoflavone on soy isoflavone content in complexs

2.1.2 加熱溫度對(duì)復(fù)合物中SI含量的影響 由圖2可知,加熱溫度從60 ℃升高到70 ℃時(shí)復(fù)合物中SI含量增加,65～70 ℃時(shí)曲線的漲幅較高。當(dāng)溫度高于70 ℃時(shí),復(fù)合物中SI含量呈下降趨勢(shì)。較高的溫度會(huì)增加SI和淀粉的復(fù)合速率,所以當(dāng)糊化溫度為60～70 ℃時(shí),復(fù)合物中SI含量隨著溫度的升高而升高,但隨著糊化溫度增加淀粉黏度增大,流動(dòng)性降低,不利于SI和淀粉接觸從而使復(fù)合物中SI含量下降。此外,過高的溫度可能會(huì)導(dǎo)致大豆異黃酮的降解和氧化。因此,制備復(fù)合物的最適加熱溫度為70 ℃。

圖2 加熱溫度對(duì)復(fù)合物中SI含量的影響Fig.2 Effect of heating temperature on soy isoflavone content in the complexs

2.1.3 加熱時(shí)間對(duì)復(fù)合物中SI含量的影響 由圖3可知,加熱時(shí)間0.5～1.0 h復(fù)合物中SI含量呈明顯上升趨勢(shì),復(fù)合物中SI含量從3.85 mg/g增加到5.03 mg/g,在1.0 h時(shí)達(dá)到最高點(diǎn),隨著加熱時(shí)間的延長(zhǎng)復(fù)合物中SI含量趨于穩(wěn)定。大豆異黃酮與玉米淀粉相互作用可能需要一定的時(shí)間,反應(yīng)一開始大豆異黃酮通過疏水作用進(jìn)入直鏈淀粉螺旋腔,而后大豆異黃酮與支鏈淀粉通過氫鍵相互作用[5],時(shí)間繼續(xù)延長(zhǎng)復(fù)合物中SI含量維持基本不變。因此,制備復(fù)合物適宜的加熱時(shí)間為1.0 h。

圖3 加熱時(shí)間對(duì)復(fù)合物中SI含量的影響Fig.3 Effect of heating time on soy isoflavone content in the complexs

2.2 響應(yīng)面試驗(yàn)

在單因素實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上,綜合考慮各因素對(duì)復(fù)合物中SI含量的影響,根據(jù)Box-Behnken試驗(yàn)設(shè)計(jì)原理,選擇SI添加量、加熱溫度、加熱時(shí)間三因素三水平響應(yīng)面分析方法,確定最佳制備條件,結(jié)果見表2。將所得試驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Design-Expert 8軟件進(jìn)行多元回歸擬合,得到各因素與復(fù)合物中SI含量(Y)的二次多項(xiàng)式模型:

Y=5.07+0.17A+0.26B+0.13C+0.17AB-0.14AC-0.05BC-0.21A2-0.79B2-0.15C2

表2 響應(yīng)面試驗(yàn)設(shè)計(jì)及結(jié)果Table 2 Design and results for response surface tests

表3 復(fù)合物中SI含量回歸模型方差分析Table 3 Analysis of variance in regression model of soybean isoflavone content in complexs

圖4 SI添加量和加熱溫度交互作用對(duì)復(fù)合物中SI含量影響的響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.4 Response surface plots and contour of the effect of interaction between thesoy isoflavone addition amount and heating temperature on the content of soy isoflavone in complexs

方差分析中BC對(duì)響應(yīng)值影響不顯著,一次項(xiàng)C、交互項(xiàng)AB、AC、二次項(xiàng)C2影響顯著(P<0.05),A、B、A2和B2影響極顯著(P<0.01),說明各因素對(duì)復(fù)合物中SI含量的影響不是簡(jiǎn)單線性關(guān)系。各因素對(duì)復(fù)合物中SI含量的影響次序依次為B(加熱溫度)>A(SI添加量)>C(加熱時(shí)間)。

2.3 響應(yīng)面分析

各因素交互作用如圖4～圖6所示。在確定某一因素條件下,改變另一因素條件對(duì)復(fù)合物中SI含量的影響,其變化與單因素結(jié)果基本一致。由圖4～6可知,SI添加量(A)和加熱溫度(B)、SI添加量(A)和加熱時(shí)間(C)等高線圖呈明顯的橢圓形,表明兩因素間交互作用顯著。相比之下,加熱溫度(B)和加熱時(shí)間(C)交互作用較小。

2.4 驗(yàn)證試驗(yàn)

通過回歸方程得到復(fù)合物中SI含量的最佳條件為:SI添加量2.41%、加熱溫度70.99 ℃、加熱時(shí)間1.10 h,理論上可得復(fù)合物中SI含量為5.14 mg/g?？紤]到實(shí)際操作,將最優(yōu)條件調(diào)整為SI添加量2.4%、加熱溫度70 ℃、加熱時(shí)間1.0 h,經(jīng)驗(yàn)證試驗(yàn)得復(fù)合物中SI含量為5.04 mg/g,接近最佳條件預(yù)測(cè)值,證實(shí)擬合響應(yīng)面模型具有良好的預(yù)測(cè)性,可以用來預(yù)測(cè)復(fù)合物中SI含量。

2.5 糊化特性分析

圖5 加熱溫度和加熱時(shí)間交互作用對(duì)復(fù)合物中SI含量影響的響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.5 Response surface plots and contour of the effect of interaction between the heating temperature and heating time on the content of soy isoflavonein complexs

圖6 SI添加量和加熱時(shí)間交互作用對(duì)復(fù)合物中SI含量影響的響應(yīng)面圖和等高線圖Fig.6 Response surface plots and contour of the effect of interaction between thesoy isoflavone addition amount and heating time on the content of soy isoflavone in complexs

由表4可知,與CS相比,SI-CS物理復(fù)合峰值黏度、崩解值、終值黏度和回生值略有降低,峰值時(shí)間和糊化溫度無明顯變化;SI-CS復(fù)合物峰值黏度增加了20.39%、終值黏度增加了37.15%、峰值時(shí)間延長(zhǎng)了1.35 min,崩解值降低了70.78%,糊化溫度無明顯變化。SI-CS復(fù)合物峰值黏度增加,表明大豆異黃酮的加入復(fù)合物對(duì)水熱處理有高抗性。SI-CS復(fù)合物崩解值降低了70.78%,由此可知,復(fù)合物中的大豆異黃酮影響了淀粉糊的穩(wěn)定性,繆銘等[27]研究表明,禾谷類淀粉的崩解值和易消化淀粉呈正相關(guān)關(guān)系。大豆異黃酮溶解性較低,從而影響淀粉吸水速度,抑制淀粉顆粒分解,使淀粉糊化過程變緩,峰值時(shí)間延長(zhǎng)。SI-CS復(fù)合物黏度較高,更有利于淀粉作為粘稠劑應(yīng)用。

表4 SI-CS復(fù)合物的糊化特征值Table 4 Gelatinization characteristic values of soy isoflavone-corn starch complexs

圖7 SI-CS復(fù)合物的RVA糊化曲線Fig.7 RVA pasting curve of soy isoflavone-corn starch complexs

2.6 動(dòng)態(tài)流變特性分析

CS、SI-CS物理復(fù)合和SI-CS復(fù)合物儲(chǔ)能模量(G′)、損耗模量(G″)如圖8所示。G′和G″隨著角頻率的增加而增加,在測(cè)量頻率內(nèi)二者沒有交叉,G′始終大于G″。淀粉凝膠的彈性模量大于粘性模量,表明凝膠屬于典型弱凝膠動(dòng)態(tài)流變學(xué)體系[28]。因此,SI-CS復(fù)合物凝膠為典型弱凝膠體系。與對(duì)照CS相比,SI-CS復(fù)合物的G′降低,G″升高,即彈性降低而黏性升高。G′反映物質(zhì)在形變周期中可恢復(fù)的能量,G″反映在物質(zhì)形變過程中因黏性形變不可逆從而損耗的能量。由于大豆異黃酮難溶于水,因此通過疏水作用進(jìn)入玉米淀粉螺旋腔內(nèi),阻礙淀粉分子間交聯(lián)作用及其聚集和重新排列,減弱淀粉凝膠網(wǎng)絡(luò)從而降低凝膠彈性。tanδ為G″與G′比值,tanδ越大,體系黏性比例越大,可流動(dòng)性強(qiáng),反之則彈性比例較大,固體特性強(qiáng)[29]。添加大豆異黃酮后tanδ增大,體系黏彈性從固態(tài)狀轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)狀,可流動(dòng)性增強(qiáng),固體特性減弱。SI-CS復(fù)合物黏性和tanδ較高,復(fù)合物體系比較穩(wěn)定,有利于蒸煮類淀粉基食品的加工。

表5 SI-CS復(fù)合物的凝膠質(zhì)構(gòu)參數(shù)Table 5 Texture parameters of soy isoflavone-corn starch complexs

圖8 SI-CS復(fù)合物動(dòng)態(tài)模量(A、B) 及tanδ(C)隨角頻率變化曲線Fig.8 Dynamic modulus and tanδ variation rate of soybean isoflavone-corn starch complexs

2.7 質(zhì)構(gòu)特性分析

由表5可知,復(fù)合物的凝膠性發(fā)生顯著變化。與 CS相比,SI-CS復(fù)合物硬度降低20.22%、彈性降低18.62%、咀嚼性降低42.06%、膠黏性增加18.96%、內(nèi)聚性無明顯變化,由此表明SI-CS復(fù)合物的口感相比玉米淀粉更加柔軟。直鏈淀粉含量可影響淀粉凝膠硬度,直鏈淀粉重排及纏繞成雙螺旋結(jié)構(gòu)的程度越高,凝膠硬度越大[30]。大豆異黃酮的加入阻礙了直鏈淀粉分子間的交聯(lián)作用及其聚集和重新排列,致使淀粉分子便于移動(dòng)[31],從而降低凝膠硬度,使其咀嚼起來更柔和。將其應(yīng)用于蒸煮類淀粉基食品(饅頭、蒸糕等)可使其更加軟糯,口感體驗(yàn)度更高。

3 結(jié)論

本試驗(yàn)采用熱溶法制備大豆異黃酮-玉米淀粉復(fù)合物,通過響應(yīng)面試驗(yàn)優(yōu)化制備工藝,得到最優(yōu)制備條件為:SI添加量2.4%、加熱溫度70 ℃、加熱時(shí)間1.0 h,在此條件下得復(fù)合物中SI含量為5.04 mg/g。各因素對(duì)復(fù)合物中SI含量的影響次序依次為:加熱溫度>SI添加量>加熱時(shí)間。通過熱溶法與大豆異黃酮復(fù)合的玉米淀粉黏性增加、崩解值和硬度降低,為其進(jìn)一步在食品加工中的應(yīng)用提供依據(jù)。后續(xù)試驗(yàn)可針對(duì)大豆異黃酮與玉米淀粉相互作用方式進(jìn)行研究。